إعادة تدوير نفايات المعادن باستخدام “ShAPE” قد تغير عاداتنا في التدوير

تحسين التدوير

مع توسع الإنتاج الصناعي، تزداد الحاجة إلى تحسين استخدام الموارد. وتعد إعادة تدوير المعادن جزءاً مهماً من ذلك. ويمكن نظرياً إعادة استخدامها مرات كثيرة، لكن الفاقد واختلاط المواد يفرضان تحديات عملية.

تحتوي النفايات المعدنية غالباً على خليط من مواد مختلفة. فقد تكون الخردة سبيكة أصلاً، أو تكون عدة معادن قد اختلطت أثناء الجمع. وقد يكون فصل هذه المكونات معقداً أو مكلفاً.

إعادة استخدام الخليط دون ضبط تركيبه قد تضعف خصائص المنتج. فالشوائب وعناصر السبك غير المناسبة تؤثر في المتانة وغيرها من الصفات، ولذلك يجب أن يطابق المعدن المعاد تدويره متطلبات الاستخدام المقصود.

تضاف أحياناً كميات من الألمنيوم الأولي إلى الخردة لتخفيف تركيز العناصر غير المرغوبة. وتختلف النسبة بحسب تركيب الخردة والمنتج المطلوب؛ وليست نسبة 40٪ شرطاً عاماً لكل عمليات تدوير الألمنيوم. وتقلل هذه الإضافة نسبة المحتوى المعاد تدويره في المنتج النهائي.

لهذا درس باحثو مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL) طريقة ShAPE، أي المعالجة والبثق بمساعدة القص. وتتيح معالجة خردة الألمنيوم دون إضافة ألمنيوم أولي، مع إضافة عناصر سبك مختارة. ونشروا الدراسة في Nature Communications بعنوان «Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying¹»، حول ترقية الخردة إلى سبائك عالية المقاومة بتكوين السبائك في الحالة الصلبة.

مشكلات تدوير الألمنيوم

تستهلك إعادة صهر الألمنيوم وخطوات المعالجة التقليدية طاقة. أما إنتاج الألمنيوم الأولي من الخام فيتطلب طاقة أكبر بكثير وينتج انبعاثات مهمة. لذلك ينبغي التمييز بين الإنتاج الأولي وإعادة التدوير عند مقارنة التكلفة والأثر البيئي.

قد تحتوي خردة الألمنيوم على عناصر غير مرغوبة، مثل جسيمات غنية بالحديد. وتستخدم بعض العمليات التقليدية الألمنيوم الأولي لتخفيف تركيزها. ويتوقف الاحتياج إلى ذلك على جودة الخردة وتركيب السبيكة المستهدفة.

ShAPE

بحث فريق PNNL إمكانية تحويل الخردة مباشرة إلى سبيكة ذات خصائص أفضل، دون خطوات الصهر والسبك التقليدية. ويضيف عناصر محددة ثم يخلطها ويعالجها في الحالة الصلبة.

تعالج الطريقة الخردة المحضرة بالبثق في الحالة الصلبة، متجاوزة الصهر الكامل والصب. ويعود تطوير البثق الاحتكاكي في معهد اللحام البريطاني إلى 1993. ويظل تحديد تركيب الخردة ضرورياً لحساب كميات عناصر السبك المطلوبة.

يولد البثق الاحتكاكي حرارة نتيجة العمل الميكانيكي والاحتكاك، لكنه لا يصهر المعدن بالكامل. وتختلط المواد وتتحد أثناء بقائها في الحالة الصلبة. ويوضح الفيديو التالي المبدأ:

تصف المقالة آلة ذات رأس يدور 500 مرة في الدقيقة بعزم قدره 2,200 رطل-قدم. ويضغط مكبس هيدروليكي المادة باتجاه الرأس بقوة تصل إلى 200,000 رطل-قوة.

المصدر: Nature Communications

تخلط خردة الألمنيوم بمسحوق النحاس (Cu) والزنك (Zn) وشرائط سبيكة المغنيسيوم ZK60. وتوزع المعالجة هذه العناصر لتكوين سبيكة ألمنيوم عالية المقاومة خلال دقائق. أما سلسلة تقليدية مماثلة تشمل الصهر والصب والمعالجة اللاحقة فقد تستغرق أياماً.

يمكن لتجنب الصهر الكامل أن يخفض استهلاك الطاقة. ويتوقف حجم التوفير على العملية والبديل المستخدم للمقارنة، ولا تمثل نسبة 50٪ خفضاً عاماً مضموناً لكل عمليات تدوير المعادن.

المصدر: PNNL

البنية المجهرية والأداء المحسنان

أظهر الفحص المجهري أن متوسط حجم الحبيبات في العينة المطورة بلغ 7.7 ميكرومتر، مقابل 43.1 ميكرومتر في عينة المقارنة المعاد تدويرها من سبيكة 6063. وقد صُنعت العينتان بالبثق الاحتكاكي، ولم تكن المقارنة مع جميع طرق التدوير التقليدية.

المصدر: Nature Communications

كشف التحليل أيضاً عن مناطق غينييه–بريستون وبنى نانوية أخرى داخل السبيكة المطورة. وتسهم هذه البنى في زيادة مقاومة السبائك المعدنية.

ارتفع إجهاد الخضوع ومقاومة الشد القصوى بأكثر من 200٪ مقارنة بالعينة المعاد تدويرها في الاختبارات. وتخص النتيجة المواد التي دُرست، وليست تحسناً عاماً لجميع المعادن المعاد تدويرها.

المصدر: Nature Communications

وقد يتيح إنتاج المقاطع والأنابيب والأجزاء المعدنية في الحالة الصلبة تصميم سبائك جديدة يصعب إنتاجها بعمليات الصهر التقليدية.

تكوين السبائك في الحالة الصلبة قابل نظرياً للتطبيق على أي تركيبة معدنية يمكن تصورها. وبما أن التصنيع يحدث بالكامل في الحالة الصلبة، يمكن البدء في التفكير بسبائك جديدة لم نتمكن من إنتاجها سابقاً.

سيندي باول — المسؤولة العلمية والتقنية لقطاع الطاقة والبيئة في PNNL

تطبيقات تتجاوز تدوير الألمنيوم

يمكن دراسة هذه التقنية لمعادن أخرى يصعب فرزها أو إعادة تدويرها.

وقد تساعد على إنتاج سبائك ذات خصائص أفضل، مثل هياكل مركبات أكثر مقاومة أو منتجات تحقق الوظيفة نفسها بكمية أقل من المادة. وتحتاج كل حالة استخدام إلى اختبارات مستقلة للتحقق من الأداء والسلامة.

يرى الباحثون أن المبدأ قد يمتد إلى عمليات تصنيع أخرى في الحالة الصلبة، مثل الرش البارد أو اللحام بالاحتكاك والتحريك والمعالجة المماثلة.

قدرتنا على ترقية الخردة أمر مثير، لكن أكثر ما يحمسني في هذا البحث هو أن تكوين السبائك في الحالة الصلبة لا يقتصر على سبائك الألمنيوم أو المواد الأولية من الخردة.

سيندي باول — المسؤولة العلمية والتقنية لقطاع الطاقة والبيئة في PNNL

الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن

وقد تستخدم الطريقة أيضاً لإنتاج مواد تغذية عالية الجودة للطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن.

تتيح إضافة كميات دقيقة من عناصر السبك ضبط التركيب وفق احتياجات محددة في التصنيع بالإضافة.

يتوقف انتقال هذه الخصائص إلى المنتج المطبوع على عملية الطباعة نفسها. فعندما تُصهر أسلاك التغذية أثناء التصنيع، يجب فحص البنية المجهرية والمقاومة النهائية مجدداً.

يصعب الحصول على أسلاك تغذية بتركيبات مخصصة للتصنيع بالإضافة القائم على الأسلاك. ويتيح تكوين السبائك في الحالة الصلبة إنتاج سبائك مصممة بتركيبات دقيقة، مثل 2٪ نحاس أو 5٪ نحاس.

شياو لي — عالم مواد في PNNL

شركة تدوير الألمنيوم

Radius Recycling

يمكن لطرق التدوير الجديدة أن تتيح للشركات القائمة ترقية مواد أكثر والمنافسة مع المنتجين الأوليين. وتتوقف الاستفادة على الكلفة وقابلية تطبيق التقنية ومتطلبات العملاء.

قد يؤثر توسيع إعادة التدوير وكهربة النقل والتدفئة في الطلب على خدمات القطاع. ويشير توقع سوقي نقلته المقالة إلى نمو سوق تدوير المعادن من 915 مليار دولار في 2024 إلى 1.29 تريليون دولار في 2033، بمعدل سنوي مركب يقارب 3.9٪. وهذا توقع وليس نتيجة مضمونة.

تأسست Radius Recycling عام 1906. ووفق بيانات المقالة وقت كتابتها، كان لديها أكثر من 3,500 موظف وأكثر من 100 منشأة لتدوير المعادن والسيارات في الولايات المتحدة وكندا، إضافة إلى مصنع واحد للصلب.

المصدر: Radius Recycling

تعالج الشركة عدة فئات من المواد:

• المعادن الحديدية، مثل الفولاذ العادي في الأسقف المعدنية والدراجات والسيارات والأجهزة المنزلية ومنتجات أخرى.
• تدفقات تدوير أخرى تشمل الألمنيوم والنحاس والزنك والفولاذ المقاوم للصدأ وبطاريات الرصاص الحمضية والأسلاك والملفات والمحركات الكهربائية والمشعات. ويحتوي الفولاذ المقاوم للصدأ على الحديد، حتى إن صُنّف منفصلاً لأغراض تجارة الخردة.

يعد النحاس والألمنيوم من أهم المواد في نشاط الشركة المتعلق بالمعادن غير الحديدية.

المصدر: Radius Recycling

تصف المقالة توزيع الشركة لرأس المال بين الأرباح الموزعة وإدارة تكاليف الديون وإعادة الاستثمار، بما في ذلك مركزان جديدان لاسترداد المواد على الساحل الغربي الأمريكي. وتذكر دفع توزيعات فصلية منذ الإدراج في 1993، بعائد توزيعات يقارب 4.5٪ وقت الكتابة. وقد تتغير التوزيعات والعائد لاحقاً.

قد تهم الشركة المستثمرين الذين يدرسون قطاع إعادة التدوير والاقتصاد الدائري في أمريكا الشمالية. ويجب أن يشمل التقييم أيضاً حساسية النشاط للدورة الاقتصادية وأسعار المعادن والديون واستدامة التوزيعات، بدلاً من اعتبار دخلها مضموناً.

مرجع الدراسة:

^{1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2}